法向承力锚拖曳-系泊转换机构的制作方法

专利名称：：法向承力锚拖曳-系泊转换机构的制作方法
技术领域：
：本发明属于海洋工程
技术领域：
，用于对深水系泊基础的科学研究及工程应用。
背景技术：
：在深海油气资源的开发中，随着大型和超大型海上顺应式结构物的逐渐增多，适用于深水和超深水的系泊系统日益受到重视。研发新型深水系泊系统和新型深水系泊技术，是国际海洋油气资源开发和国际海洋工程技术界的重要研究方向。20世纪80年代中期，人们发现深海蕴藏着丰富的油气资源，深海油气资源开发技术的研究日益突显出其重要性。随着油气开采向深水化推进，新型绷紧式系泊系统的优势逐渐显现，它不仅能节约材料，降低投资，同时也能减小系泊半径，优化系泊方式。而与绷紧式系泊系统相配合的系泊基础——法向承力锚也日益受到青睐，它能同时承受水平和垂直荷载，具有较高的抗拔承载力，同时具备重量轻、材料省、易操作、易存储、可回收和重复使用等优点。法向承力锚的入土安装过程与传统拖曳锚相似，但由于法向承力锚在工作状态下要求拖缆与锚板平面垂直，使其具有独特的法向受力的特性，从而使得这种锚的承载性能尤为突出。实验表明法向承力锚可以承受自身重量100倍以上的荷载，而这种锚工作时的极限抗拔力可以达到安装荷载的2.53.0倍。如何实现法向承力锚从安装状态向工作状态的转换，显然是法向承力锚研发必须解决的核心技术之一。法向承力锚按锚胫与锚板的连接方式，可以分为刚性锚胫连接和软索锚胫连接。具体有两种款式，一是英国Bruce公司的Denla式，二是荷兰Vryhof公司的Stevmanta式，两种锚板结构形式迥异。锚板结构形式的不同也同时决定了锚板转换方式有着很大的不同。Denla式法向承力锚由锚板和刚性锚胫两部分组成，在拖曳安装状态时锚板和锚胫由安全销锁定，二者成固定锐角，用于使锚板在拖锚安装船(AHV)的拖曳下嵌入土体。当锚板嵌入土体指定位置后，AHV向后驶回，在到达锚板上方附近后，施加垂直于板面的荷载，当该荷载达到预先设定值时，安全销将会失效脱落，刚性锚胫发生旋转并在垂直于板面时被锁死，此时锚板转入工作状态。Stevmanta式法向承力锚由锚板、软索锚胫和角度调节器组成。相对于传统拖曳锚而言，刚性锚胫被软索锚胫代替，锚胫与锚板之间的角度随前后锚胫长度比值的变化而变化。四条软索锚胫与角度调节器连在一起，角度调节器上内置有安全销，拖曳安装时锚板前后软索锚胫不等长，锚板与拖缆成一定角度，称拖曳嵌入角。锚板在AHV的拖曳作用下嵌入土体，随着锚板嵌入深度的增加，拖曳力逐渐增大。当锚板在土中行进到某一深度时，AHV所提供的安装荷载达到预定值，角度调节器上的安全销失效，从而使锚从安装状态变为法向受力状态。这种转变对于AHV来说非常明显，突变的承载力会使AHV停止向远离锚的方向移动，此时法向承力锚进入系泊工作状态。与刚性锚胫相比，软索锚胫在法向承力锚的应用中体现出了更为优越的性能。首先，软索锚胫的长度易于控制，可根据土质等影响因素更为方便地改变拖曳嵌入角等设计参数。其次，软索锚胫受力简单，只受轴向拉力，同时，在安装过程中锚胫迎土面积相对较小，有利于锚板嵌入性能的发挥。再次，软索锚胫使承载力在锚板上的分布更为合理，有利于锚板承载性能的发挥。以上的诸多优点使软索锚胫在法向承力锚的应用上有着更好的发展前景。综上可知，现今国际上比较成熟的转换方式均围绕安全销进行设计。这种以力的大小作为标准的设计方法为转换的实现增加了不确定因素。由于土质的复杂性，锚板在拖曳过程中的受力大小不易预测，这将导致安全销失效的随机性，进而将从根本上影响锚板安装定位的实现。
发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种法向承力锚由安装状态向系泊状态进行转换所必需的构件，使法向承力锚的安装更加简便、可靠、稳定。为此，本发明采用如下的技术方案一种法向承力锚拖曳一系泊转换机构，包括一个开设有滑槽的转换主体和三个锁扣，所述的转换主体由滑槽分割为上下杆，在滑槽前、后两端靠向上杆的部位开设有分别用于连接前后锚胫的前系孔和后系孔，在所述的滑槽的后端靠向上杆的方位开设有与滑槽连通的卡槽，在卡槽与滑槽相接的卡槽口处设置有防止滑扣滑入卡槽后再次脱落的弹片，所述转换主体的前系孔、后系孔和滑槽处分别设置有相配合的三个锁扣，在前系孔处设置的锁扣为U形锁扣，在该U形锁扣的两端分别设置有两个环，其中部设置有挡杆。作为优选实施方式，本发明的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，所述上杆的上表面经过倒角倒圆处理；所述的两个环，至少有一个环内设置有螺纹；设短边锚胫长度为fl，长边锚胫的长度为6，取两个锚胫系孔之间的距离丄=6-^+6)/2;设单根锚胫最大可承载的拉力为《，y;为转换过程中拖缆的最大拉力值，/与锚板拖曳嵌入力的比例系数为//，设转换主体所用材料的许用应力为[o"]，取上部杆宽度为^、P，，取上下杆宽度之和"="|^。发明的法向承力锚拖曳一系泊转换机构(以下简称转换机构)，其转换完全由受力角度进行控制，排除了力的大小的影响因素，使法向承力锚的安装更为简便、可靠。与国际上现有的转换方式相比，该发明具有结构简单、转换可靠、性能稳定的优点。图l拖曳和系泊状态锚胫变化示意图。图2本发明的转换主体正视图。罔^转换机构转换过程示意图，其中(a)为拖曳状态，(b)为转换状态，(c)为系泊工作状态。图4与前系孔相配合的锁扣，(a)为正视图；(b)为侧视图。图5拖曳过程中拖曳力。图6拖曳过程中拖缆与锚板的夹角。图7转换过程中的拖曳力。图8转换过程中锚板的角度。图9转换过程中拖缆的角度。图10转换过程中拖缆与锚板的夹角。具体实施例方式本发明申请的转换机构其机理是通过改变拖缆的施力方向，使转换机构发生旋转，进而改变拖曳力作用点的位置完成转换。在拖曳过程中，转换机构1作为后端锚胫的一部分，如图1中实线所示。在转换结束法向承载阶段，转换机构1作为前端锚胫的一部分，如图1中虚线所示。根据相应的长度关系，四根锚胫在图1所示的平面上的的投影长度相同(以下提及的锚胫长度均指投影长度)，从而达到法向受力的状态。图中，其中/^="为前端锚胫长度，/^=6为后端锚胫长度，/③-Z为转换机构l的有效长度。图2(a)为本发明的转换主体正视图。本发明的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，包括中间设置有一道滑槽2的转换主体和三个锁扣，由滑槽将转换主体分割为上杆3和下杆4，在滑槽2的前后两端靠向上杆3的部位开设有前系孔5和后系孔10，使用时，分别与前端锚胫和后端锚胫相连。在滑槽2的后端靠向上杆3的方位开设有卡槽6，并在卡槽6附近打两个小孔9，用于在卡槽口7设置弹片(图中未画出)。当滑扣滑至滑槽末端时将进入卡槽，弹片使其无法脱出。三个锁扣分别与前、后两个系孔以及滑槽配合使用。图2(b)为转换主体尺寸的定义，其中丄为有效长度，"为转换主体的有效厚度；&和&分别为上杆3和下杆4宽度。下面详细介绍本发明的转换机构的设计过程。一、转换主体有效长度Z的确定根据特定的锚胫长度，确定转换主体的有效长度。假设短边锚胫长度为"，长边锚胫的长度为6，根据公式(1)确定转换主体的有效长度。Z=H+6)/2(1)转换机构是为实现法向承力锚由安装状态向工作状态的转换而设计的特殊部件，在满足其可靠性前提下，机构的外观应以轻巧作为设计原则之一。由特定锚板设计对应的锚胫长度确定转换主体长度之后，转换机构的强度应与所用锚胫的强度相匹配。二、转换主体厚度c/及有效宽度i)的确定根据强度要求，设计转换主体有效厚度c/及有效宽度D。锚板在工作状态承受的载荷最大，此时转换主体与前端锚胫在一条直线上。转换主体所受载荷主要为沿其长度方向上的拉力，其承载性能设计以前端锚胫最大承载为设计标准。设单根锚胫最大可承载的拉力为《，则前端两根锚胫最大可承2《的拉力。即转换主体也应至少可承受2《的拉力值。设转换主体所用材料抗拉的许用应力为[CT]，则转换主体的截面积至少应为J=2fs/[o"](2)为使转换主体在转换过程中的转动顺畅，其在土中的剪切面积设计不应过大，转换主体的厚度一般可根据锚胫的直径或拖缆的直径大小选取。当厚度确定之后，由有效宽度D-^4/J，可得￡>=^~(3)其中有效宽度d为上、下杆宽之和，即z^^+;^，一般取a-^-d/2。转换主体在转换过程中滑槽上部将承受弯矩作用，为保证在此过程中不发生拉弯变形，滑槽上部分杆宽&大小应得到保证。该杆的抗弯截面模量为『=1(4)6则转换主体上部所能承受的最大弯矩为m=[ct;f(5)又该杆在转换过程中可能受到的最大弯矩为-a/=0.15/^(6)其中/为转换过程中拖缆的最大拉力值。按最理想估计，设四根锚胫的承载能力之和与锚板的承载力相等。一般来说，法向承力锚的承载力是拖曳嵌入力的2.53倍。假设转换主体的转换力y;与锚板拖曳嵌入力的比例系数为A，该系数与土质和锚板的嵌入深度相关，综上则有关系式-/=化+=>(7)由此可得上部杆宽度/^为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>三、转换主体细节及附属部分设计说明如图2b所示，根据转换主体的有效长度Z确定"、6锚胫系孔的距离，两孔的孔径由与锚胫相连的锁扣的直径决定。滑槽的宽度由与拖缆相连的滑扣直径决定，并为保证滑扣在滑槽中的顺畅滑动，滑槽宽度应留有一定余量。滑槽端部与锚胫系孔的相对位置可参照图2c确定，槽孔边缘之间的宽度及槽孔边缘与外轮廓之间的宽度主要由保护层的宽度要求确定，一般取槽宽或孔径的5倍即可。为减小转换主体在转换过程中的切土阻力，其上表面8可进行圆化倒角处理。除转换主体外，还可设计一些特制的连接件使转换机构的性能得到更好发挥。图2(c)为本发明的转换主体的一个实施例的尺寸示意图。施工过程中，与拖缆相连的滑扣先位于滑槽前端，即靠近前端锚胫系点孔的位置。在AHV上，将锚板缓慢悬放至海床上，锚尖与AHV将要行进的方向保持一致。锚板初始入土时，部分拖缆处于水平卧底状态，锚板与水平面有一定夹角(即初始坐落角)以使锚板可以嵌入土中，这一夹角由固定于锚板上的支架形成。一般来说该夹角不宜过大，以小于等于20度较为合适。在整个嵌入过程中，滑扣一直位于转换主体前端。当锚板嵌入至指定位置时，AHV停止拖曳，并转而向相反的方向行进直至到达转换地点，该转换点应为通过锚板重心且与锚板垂直的直线与海平面的交点。AHV边向转换点行进边收缆，但拖缆应仍处于松弛状态，以避免锚板未进入工作状态时就再次受到较大载荷，影响锚板定位。当AHV到达转换地点后，继续收缆，直到拉力达到转换值使转换主体转动，滑扣由转换主体前端滑至转换主体后端完成转换。完成转换后，再次施加约为转换力二倍的拉力，使前后锚胫完全绷直，此时拖缆与锚板垂直且其延长线通过锚板重心。至此，转换过程结束，法向承力锚为进入系泊工作状态，如图3所示。设计模型实验用以检验此发明技术的实施效果。实验在模型沙槽中进行，布置传感器用于定位转换位置及分别测取整个实验过程中锚板的方位角(")、与锚胫相连一端的拖缆角度(")和拖曳力(F)。实验采用宽为300mm的模型锚板，设计锚胫角^=30°，前后锚胫的长度为"-301mm，6=521mm。转换结束后拖缆与锚板之间的夹角应为90°。由公式(1)可得，转换主体的有效长度为Z=6-(a+"/2=521_(301+521)/2=110mra考虑到转换机构连接等因素会影响到有效长度的取值，为达到有效长度为110mm的标准，"、6锚胫在转换主体上的系点孔实际相距为117.5mm。转换机构与锚胫共同切土旋转，转换主体的厚度参照两根锚胫直径之和确定，锚胫选用直径为^的镀锌航空钢丝绳，则转换主体的厚度为d=6mm实验所用镀锌航空钢丝绳的最小破断拉力为0.60.8吨，按最不利情况，取单根锚胫最大承载为0.8吨。转换机构材料选用45#钢后进行热处理，其屈服强度为355MPa。由公式(3)可得，转换主体有效截面宽度为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>本模型实验为干沙，根据实验数据可推算出转换力比例因子;"取O.1，由公式(7)可得，转换过程中最大拖缆拉力/为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>即转换最大拉力大约为0.1吨。由公式(8)可得，上部杆的宽度/^为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由于实验需考虑改进锚板，有可能采用更高强度的锚胫。故转换主体按保守设计，上部杆宽/^取7mni，在此基础上再加宽3mm，用于圆化倒角处理。为使上下杆基本对称，下部杆宽取为A:8mm，则截面宽度D二7+845〉7.51mm，满足要求。实验拖缆选用直径为^6的抗扭钢丝绳，故与之相连接的锁扣直径也选为6mm，考虑到转换主体的滑槽置于沙中，为使滑扣在槽中滑动尽量顺畅，滑槽宽度取8mm，滑槽末端设置卡槽，卡槽开口处设置弹片。与a、b锚胫相连的锁扣直径分别为8mm和6mm，故a、b锚胫系点孔的直径取为9mm，槽孔边缘之间的宽度及槽孔边缘与外轮廓之间的宽度一般在815mm之间。图4为与前锚胫系孔相配合的锁扣13，(a)为正视图；(b)为侧视图。该种锁扣，主体由一圆钢弯制成U形，弯折处呈半圆形，直线部分的两个端部焊接两个圆环ll，其中一个圆环内侧带有螺纹，用于插入、固定螺杆(图中未画出)与转换主体的前端锚胫系孔相连。在U形直线部分大致中间位置焊接一圆钢挡杆12，当锁扣与转换主体相连时，圆钢挡杆12卡于转换主体下边缘，使锁扣13与转换主体之间在拖曳及转换初始阶段能始终有一最小角度，利于转换的实施。拖曳嵌入及转换实验共重复实施了三组，三组实验数据重复性较好，如表1所示。以第三组数据为例对实验过程进行说明。锚板初始坐落角设置为20'，将滑扣置于转换主体前端，拖曳滑块模拟AHV施加拖曳力，拖动锚板嵌于土体。当锚板被拖至指定位置时，拖曳力达到最大值尸_=1.21吨，如图5所示。此时停止拖曳，锚板方位角"=11.6°，拖缆角度为^=23.3°，则拖缆与锚板的夹角为"+〃=34.9°，如图6所示。根据锚板方位确定转换位置，将转换滑块固定于转换点。通过拖曳滑块施加拉力，并通过转换滑块的滑轮改变拉力的方向，用以模拟实际工程中位于转换点的AHV收缆施力的过程。从图7中可以看出，转换过程中所需的最大拉力值为./;=0.11吨，为拖曳嵌入力的1/11。转换瞬间拉力变为/2=0.02吨，可以以此拉力的瞬间减小作为转换的判断标准。转换之后，再次施加拉力至转换所需最大拉力值的二倍左右，拉力达到/3=0.21吨时停止施力。从图8、图9的实验曲线可以看出，在转换达程中锚板的角度基本没有变化，而拖缆的角度变化较大。当转换全过程结束时，拖缆的角度/=79.7°，拖缆与锚板的夹角为《+/=91.3°，如图10所示，该角度接近垂直，达到法向承载的要求。从表l可以看出，转换之后，三组实验数据中拖缆与锚板夹角分别为88.9。、89.7°和91.3°，相对于90°误差均不超过2%。由此可知转换机构的工作性能良好。表1转换机构实验数据表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本发明提出的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，可有效应用于针对新型拖曳锚开展的科学研究以及深水系泊系统的工程应用。其适用场合包括1、模型水槽实验在模型水槽实验中，以海洋粘土或砂土作为锚板的嵌入介质，通过模型比尺和实验工况要求，可获得对锚板嵌入、状态转换、法向承载等特性的认识，并可在此基础上，按前述的设计原则和方法设计转换机构模型具体尺寸并合理设计附属结构。同时，模拟工程实际对锚板实施拖曳及转换，通过采集系统监控并储存实验过程中的各项参数，经过相应的数据采集、处理和转换，可绘制出反映转换机构转换性能的相关曲线，对曲线进行分析，获得对转换机构性能的认识。2、现场陆地实验实施方式与模型水槽实验基本相同。3、工程应用作为法向承力锚由安装状态向工作状态转换所必需的重要构件，根据特定的锚板所对应的锚胫长度及强度即可确定转换机构尺寸。通过海上拖锚安装船的作业，将锚板拖曳嵌入海床特定位置，实现转换，为法向承力锚进入系泊状态做好准备。权利要求1.一种法向承力锚拖曳-系泊转换机构，包括一个开设有滑槽的转换主体和三个锁扣，所述的转换主体由滑槽分割为上下杆，在滑槽前、后两端靠向上杆的部位开设有分别用于连接前后锚胫的前系孔和后系孔，在所述的滑槽的后端靠向上杆的方位开设有与滑槽连通的卡槽，在卡槽与滑槽相接的卡槽口处设置有防止滑扣滑入卡槽后再次脱落的弹片，所述转换主体的前系孔、后系孔和滑槽处分别设置有相配合的三个锁扣，在前系孔处设置的锁扣为U形锁扣，在该U形锁扣的两端分别设置有两个环，其中部设置有挡杆。2.根据权利要求i所述的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，其特征在于，所述上杆的上表面经过倒角倒圆处理。3.根据权利要求1或2所述的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，其特征在于，所述的两个环，至少有一个环内设置有螺纹。4.根据权利要求1至3任意一项所述的法向承力锚拖曳一系泊转换机构，其特征在于，设短边锚胫长度为a，长边锚胫的长度为6，取两个锚胫系孔之间的距离Z=6-(fl+6)/2;设单根锚胫最大可承载的拉力为《，乂为转换过程中拖缆的最大拉力值，y;与锚板拖曳嵌入力的比例系数为/y，设转换主体所用材料的许用应力为[CT]，取上部杆宽度为^=、^^，取上下杆宽度之和"=|^。全文摘要本发明属于海洋工程
技术领域：
，涉及一种法向承力锚拖曳—系泊转换机构，包括一个开设有滑槽的转换主体和三个锁扣，转换主体由滑槽分割为上下杆，在滑槽前、后两端靠向上杆的部位开设有分别用于连接前后锚胫的前系孔和后系孔，在滑槽的后端靠向上杆的方位开设有与滑槽连通的卡槽，在卡槽与滑槽相接的卡槽口处设置有防止滑扣滑入卡槽后再次脱落的弹片，转换主体的前系孔、后系孔和滑槽处分别设置有相配合的三个锁扣，在前系孔处设置的锁扣为U形锁扣，在该U形锁扣的两端分别设置有两个环，其中部设置有挡杆。本发明的转换机构，安装更为简便、可靠，具有结构简单、转换可靠、性能稳定的优点。文档编号B63B21/04GK101624086SQ20091007004公开日2010年1月13日申请日期2009年8月4日优先权日2009年8月4日发明者刘海笑,炜张,柳成林,盛志刚申请人:天津大学